2.1 Mởđầu:
Phần này sẽ xét tổng quan việc phát triển kiến trúc hệ thống SAE (System Architecture Evolution) trong 3 GPP. Ngoài ra để hiểu được xuất xứ của SAE, mạng lõi của WCDMA/HSPA cũng được xem xét. Như vậy, phần này sẽ trình bày kiến trúc của hệ thống WCDMA/HSPA, LTE, kết nối chúng, các điểm giống nhau và khác nhau giữa chúng.
Thuật ngữ “Kiến trúc hệ thống” để mô tả việc ấn định các chức năng cần thiết cho các Node logic, các giao diện cần thiết giữa những Node này.
Trong hệ thống thông tin di động như WCDMA/HSPA và LTE/SAE, hầu hết các chức năng cần thiết cho giao diện vô tuyến đã được trình bày trong các phần trước. Các chức năng này thường gọi là “Các chức năng mạng truy nhập vô tuyến”. Tuy nhiên, một mạng di động còn cần một số các chức năng bổ sung để cung cấp các dịch vụ. Nhà khai thác cần chức năng tính cước để tính cước cho người sử dụng, nhận thực (xác thực) cũng cần được đảm bảo rằng người sử dụng là hợp lệ, thiết lập dịch vụ cần để đảm bảo rằng đã có một kết nối đầu cuối-đầu cuối. Các chức năng này không liên quan trực tiếp đến công nghệ truy nhập vô tuyến, nhưng chúng cần thiết đối với mọi công nghệ truy nhập vô tuyến “Các chức năng mạng lõi”. Do có nhiều kiểu chức năng khác nhau như vậy trong một hệ thống di động tổ ong, nên kiến trúc hệ thống được chia thành phần mạng truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi như trên H.3.8.
81
H.3.8: Mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi trong LTE
Mục đích của phần này là cung cấp cho người đọc hiểu biết tổng quan về việc phát triển SAE trong 3 GPP với các nội dung sau:
2.2 Chức năng mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi
Trong quá trình đặc tả chuẩn WCDMA/HSPA và LTE, nhiệm vụ đầu tiên cho cả hai trường hợp là phân chia các chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi (RAN và CN: Radio Access Network và Core Network). Mới nhìn dễ ngộ nhận đây là một việc đơn giản nhưng trong thực tế lại là vấn đề phức tạp. Phần lớn các chức năng này có thể dễ dàng đạt được trong RAN hoặc CN nhưng một số chức năng cần cân nhắc thận trọng.
2.2.1 Phân chia chức năng mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi của
WCDMA/HSPA.
Đối với WCDMA/HSAP, vấn đề đằng sau việc phân chia này là giữ cho mạng lõi không biết được công nghệ vô tuyến và cấu trúc nó, nghĩa là RAN phải điều khiển tất cả các chức năng tối ưu hóa giao diện vô tuyến và các ô được dấu kín đối với mạng lõi. Vì thế mạng lõi có thể sử dụng được mọi mọi công nghệ truy nhập vô tuyến và tiếp nhận cùng một phân chia chức năng.
Để hiểu được nguồn gốc của lý do đằng sau việc phân chia chức năng của WCDMA/HSPA, ta cần quay ngược về xét kiến trúc hệ thống GSM được thiết kế đầu những năm 80 của thế kỷ trước. Một trong các vấn đề mà GSM đặt ra là mạng lõi hoàn toàn nhận biết các ô trong hệ thống. Vì thế mỗi khi bổ sung thêm một ô, các nút mạng lõi cũng phải được cập nhật. Đối với WCDMA/HSP, mạng lõi không
82
biết các ô. Tuy nhiên mạng lõi biết các vùng phục vụ và vùng định tuyến, RA (Routing Area) chuyển đổi các vùng phục vụ này vào các ô. Vì thế khi bổ sung thêm một ô mới vào một vùng dịch vụ, mạng lõi không cần cập nhật.
Một số điểm khác nhau chính so với GSM là vị trí của giao thức phát lại và các bộ đệm số liệu trong mạng lõi đối với GSM. Vì các giao thức phát lại được tối ưu hóa cho giao diện vô tuyến GSM, nên giao thức này là đặc thù giao diện vô tuyến và vì thế không phù hợp giao diện vô tuyến WCDMA/HSPA. Đây được coi là điểm chủ yếu của mạng lõi và vì thế tất cả các bộ đệm và các giao thức phát lại trong WCDMA đều được chuyển đổi vào RAN. Như vậy chừng nào mạng truy nhập vô tuyến còn sử dụng cùng một giao diện với mạng lõi , giao diện mạng lõi có thể kết nối với mạng truy nhập vô tuyến sử dụng các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau.
Ngoài ra, còn có các phân chia chức năng WCDMA/HSAP mà ta không thể chỉ giải thích bằng lý do mạng lõi độc lập với các công nghệ vô tuyến: chức năng an ninh là một ví dụ rõ nhất. Ta quay lại với GSM, GSM có các chức năng an ninh đặt tại các vị trí khác nhau đối với các chuyển mạch kênh và các kết nối chuyển mạch gói (chẳng hạn GPRS). Đối với các kết nối chuyển mạch kênh các chức năng an ninh được đặt trong GSM RAN, trong khi đó đối với các chuyển mạch gói được đặt chức năng an ninh trong mạng lõi GSM (trong SGSN (Serving GPRS support Node: Nút hỗ trợ GPRS phục vụ). Đối với WCDMA/HSAP điều này bị coi là phức tạp và cần có một vị trí an ninh cho báo hiệu và điều khiển quản lý tài nguyên vô tuyến Trong WCDMA/HSPA phân chia chức năng giữa RAN và lõi chỉ ra trên bảng 1
Bảng 4. Phân chia chức năng RAN và CN
Mạng Chức Năng
RAN
Mã hóa, đan xen, điều biến và các chức năng lớp vật lý điển hình khác ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác
Quản lý tài nguyên vô tuyến, chuyển giao và các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác
83 CN
1.Tính cước
2. Quản lý thuê bao
3. Quản lý di động (theo dõi di chuyển của người sử dụng trong mạng nhu và trong các mạng khác)
4. Quản lý kênh mang và xử lý chất lượng dịch vụ
5. Điều khiển chính sách cho các luồng số liệu của người sử dụng 6. Kết nối với mạng ngoài
2.2.2 Phân chia chức năng giữa LTE RAN và mạng lõi.
Phân chia chức năng giữa LTE RAN (còn gọi là E-RAN: mạng truy nhập vô tuyến tăng cường) và mạng lõi cũng giống như phân chia chức năng của WCDMA/HSPA. Tuy nhiên lý do thiết kế then chốt của LTE RAN là giảm thiểu số lượng các nút và tìm ra một giải pháp trong đó RAN chỉ có một kiểu nút. Ngoài ra, lý do đằng sau mạng lõi LTE là làm cho nó càng độc lập với các công nghệ truy nhập vô tuyến càng tốt.
Do vậy hầu hết các chức năng RAN của WCDMA/HSPA vẫn còn giữ nguyên trong LTE RAN.
Bảng 5. Liệt kê các chức năng LTE RAN và mạng lõi LTE
Mạng Chức năng
LTE RAN
1. Mã hóa, đan xen, điều biến và các chức năng lớp vật lý điển hình khác 2. ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác 3. Các chức năng an ninh (mã mật và bảo vệ toàn vẹn) 4. Các chức năng quản lý tài nguyên chuyển giao và các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác
Mạng lõi LTE
1. Tính cước 2. Quản lý thuê bao
3. Quản lý di động (theo dõi chuyển động của người sử dụng trong mạng nhà và các mạng khác)
4. Quản lý kênh mang và xử lý chất lượng dịch vụ
5. Điều khiển chính sách cho các luồng số liệu của các người sử dụng 6. Kết nối với mạng ngoài
84
2.3 Mạng truy nhập vô tuyến LTE
Ngoài việc phân chia các chức năng giữa RAN và mạng lõi, cần phải đặc tả kiến trúc bên trong của RAN. Trong khi RAN của một công nghệ vô tuyến bất kỳ đòi hỏi ít nhất một nút nối đến anten của một ô, thì các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau có các giải pháp khác nhau về số kiểu nút và giao diện cần có.
Kiến trúc RAN của WCDMA/HSPA khác với LTE. Về căn bản, lý do khác nhau này không chỉ khác nhau trong thiết kế phân chia RAN/mạng lõi mà cả các khác biệt cũng như sự giống nhau của chúng và cung cấp các chi tiết bổ sung so với các nghiên cứu trước.
2.3.1 Mạng truy nhập vô tuyến của WCDMA/HSPA
Như đã biết, nhân tố quan trọng của kiến trúc WCDMA/HSPA là chức năng phân tập vĩ mô được sử dụng cho các kênh truyền tải DCH.
Phân tập vĩ mô đòi hỏi một “điểm neo” trong RAN để phân chia và kết hợp các luồng số liệu đến và đi từ các ô mà đầu cuối hiện đang sử dụng. Các ô này được gọi là các “tập tích cực” của đầu cuối
Trong khi hoàn toàn có thể có được neo này trong các nút kết nối đến anten của một ô và để các luồng số liệu của các ô khác đi qua nút này, thì điều này lại không có lợi xét trên quan điểm mạng truyền tải. Hầu hết các mạng truy nhập vô tuyến có các giới hạn về mạng truyền tải, chủ yếu ở chặng cuối cùng, nghĩa là chặng cuối cùng nối đến trạm đặt anten. Ngoài ra, các trạm đặt anten này thường là các “lá” trong các “cành cây” và vì thế neo trong một lá thường có nghĩa là phải truyền qua chặng cuối nhiều lần như minh họa trên hình H.3.9.
Vì việc đặt kết hợp phân tập vĩ mô ở phía trên nút nối điểm anten nên lớp liên kết cần kết cuối tại cùng một nút như phân tập vĩ mô hay tại một nút cao hơn trong phân cấp của RAN. Việc kết nối lớp liên kết tại một nút khác với nút kết hợp phân tập vĩ mô là để tiết kiệm tài nguyên truyền tải. Tuy nhiên việc tách riêng chúng dẫn đến tăng độ phức tạp nên người ta đã quyết định đặt kết cuối lớp liên kết và kết hợp phân tập vĩ mô trong cùng một nút. Cũng vì lý do này, báo hiệu mặt phẳng điều khiển của RAN được đặt trong nút thực hiện phân tập vĩ mô. Nút này được gọi là
85
“Bộ điều khiển mạng vô tuyến” RNC (Radio Network Control), và nó chủ yếu điều khiển RAN
Phân tập vĩ mô trong một nút tổng hợp
Phân tập vĩ mô trong một nút lá
H.3.9: Cấu hình truyền tải ảnh hưởng đến việc ấn định chức năng
Vì thế điểm neo được đặc tả là một điểm tách riêng so với nút nối đến anten
Thực tế này cùng với nguyên tắc trong đó kiến trúc này cũng phải hỗ trợ WCDMA R3 với thay đổi ít nhất nên RNC cũng có mặt trong kiến trúc WCDMA/HSPA, như chỉ ra trên H.3.10. Qua H.3.10 cho thấy tổng quan mạng truyền vô tuyến WCDMA/HSPA. Như vậy từ H.3.10 cho thấy RAN bao gồm hai nút chức năng cơ bản: RNC và nút nối đến anten của các ô, NodeB.
RNC là nút nối RAN đến mạng lõi qua giao diện Iu. Nguyên tắc của giao diện Iu là phải có thể sử dụng nó cho các RAN khác nhau chứ không chỉ cho WCDMA/HSPA RAN
Mỗi RNC trong mạng có thể nối đến mọi RNC khác trong mạng thông qua giao diện Iur. Vì thế giao diện Iur là một giao diện rộng của mạng để cho phép sử dụng RNC như một điểm neo cho đầu cuối và che dấu sự di động của đầu cuối đối với mạng lõi. Ngoài ra giao diện Iur cần thiết thực hiện phân tập vĩ mô giữa các ô trực thuộc các RNC khác nhau.
86
H.3.10: Mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA: Các nút và các giao diện
Như chỉ ra trên H.3.10, một RNC nối đến một hay nhiều NodeB sử dụng giao diện Iur. Tuy nhiên không như RNC nối đến các RNC khác, một NodeB chỉ có thể nối đến một RNC. Vì thế chỉ có một RNC điều khiển NodeB, nghĩa là RNC quản lý các tài nguyên của NodeB này. Trong trường hợp kết nối phân tập vĩ mô qua hai RNC, hai RNC này thỏa thuận với nhau về việc sử dụng các tài nguyên vô tuyến.
NodeB là một nút logic xử lý phát và thu một tập ô và logic các anten của các ô thuộc NodeB này, tuy nhiên chúng không nhất thiết phải được đặt trong cùng một trạm anten, chẳng hạn , trong môi trường trong nhà nhiều ô nhỏ có thể được xử lý bởi cùng một NodeB đặt ở tầng hàm cùng với các anten đặt trong các hành lang khác nhau trên các tầng khác nhau. Chính khả năng phục vụ các ô không phát từ cùng một trạm anten làm cho NodeB khác với trạm thu phát gốc (BTS) hay trạm gốc vô tuyến (RBS) và đây là lý do đưa ra tên mới, NodeB.
NodeB sở hữu phần cứng của mình nhưng không sở hữu các tài nguyên vô tuyến của các ô thuộc nó. Vì thể NodeB có thể từ chối một kết nối do hạn chế phần cứng chứ không do thiếu tài nguyên vô tuyến. Bằng phần cứng của mình, NodeB cùng thực hiện các chức năng lớp vật lý ngoại trừ phân tập vĩ mô. Đối với HSPA, NodeB
87
cũng thực hiện lập biểu và giao thức HARQ trong các giao thức MAC-hs và MAC- e như đã xét ở trước.
Trong RNC có hai dạng: RNC phục vụ và RNC trôi. Dưới đây ta sẽ xem xét hai loại RNC này
- RNC phục vụ: Khi đặc tả các chức năng của RAC, tính chất của giao diện vô tuyến dẫn đến sự cần thiết phải có một nút tập trung để xử lý kết hợp phân tập vĩ mô và phân chia phân tập vĩ mô cũng như điều khiển các tài nguyên vô tuyến trong nhiều ô. Trong khi NodeB điều khiển một tập ô thì RNC điều khiển NodeB, nghĩa là một vùng rộng hơn. Ngoài ra, giao diện Iur cũng cho phép cách tiếp cận kết hợp trong toàn bộ vùng phủ của mạng. Chỉ một RNC, “RNC điều khiển” (CRNC), là chủ của NodeB. RNC điều khiển thiết lập các tần số mà NodeB sử dụng trong các ô của mình, nó ấn định công suất và lập biểu cho các kênh chung của các ô thuộc NodeB. Nó cũng lập cấu hình như: các mã nào sẽ được sử dụng cho HS-SCH và công suất cực đại được sử dụng. Ngoài ra, RNC điều khiển là RNC quyết định việc một người sử dụng có được phép sử dụng các tài nguyên vô tuyến trong một ô trực thuộc một trong số các NodeB của nó hay không và tài nguyên vô tuyến được sử dụng sẽ là tài nguyên nào. Đây là các nhiệm vụ không liên quan trực tiếp đến bất kỳ người sử dụng nào, nhưng lại liên quan đến các cấu hình các ô.
Khi một người sử dụng quyết định truy nhập đến WCDMA/HSPA RAN, người này truy nhập đến một ô thuộc quyền điều khiển của NodeB. Nhận được yêu cầu, NodeB này lại chịu sự điều khiển của một RNC, RNC điều khiển của NodeB và ô này. RNC điều khiển này sẽ là RNC kết cuối của mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển liên quan đến RNC và RNC này sẽ trở thành RNC phục vụ (CRNC) cho người sử dụng. RNC phục vụ là RNC đánh giá các báo cáo kết quả đo từ đầu cuối và dựa trên các báo cáo kết quả này đưa ra các quyết định ô (các ô) nào sẽ là một bộ phận của tập tích cực của đầu cuối. Ngoài ra, RNC phục vụ thiết lập các mục tiêu chất lượng của đầu cuối và nó cũng là RNC nối người sử dụng đến mạng lõi. Ngoài ra chính RNC phục vụ sẽ lập cấu hình cho đầu cuối với các cấu
88
hình kênh mang khác nhau để đảm bảo các dịch vụ khác nhau theo yêu cầu của người sử dụng.
- RNC trôi: Trong thời gian kết nối, đầu cuối có thể di chuyển và tại một số điểm nó có thể cần kết nối đến một ô khác thuộc một RNC khác. Trong trường hợp này, RNC phục vụ đầu cuối cần tiếp xúc với RNC sở hữu ô mà nó có ý định sử dụng và yêu cầu được phép bổ sung ô mới này vào tập tích cực. Nếu RNC điều khiển sở hữu ô đích đồng ý, RNC sẽ thông báo đầu cuối rằng nó có thể bổ sung ô này vào tập tích cực. Khi này RNC điều khiển sở hữu ô đích sẽ trở thành “RNC trôi” (DRNC). Cần lưu ý rằng “phục vụ” và “trôi” là hai vai trò khác nhau mà một RNC có thể thực hiện khi kết nối đến một đầu cuối. Các vai trò phục vụ và trôi của RNC được minh học trên H.3.11. Khi một đầu cuối có một có kết nối khá lâu, có thể xảy ra rằng